三元中能煤礦提升機負載監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化研究

田曉罡

（三元中能煤業(yè)有限公司，山西 長治 046605）

引言

三元中能煤業(yè)提升機為多繩摩擦輪式提升機，其設計提升量為0.7 Mt/a，提升深度為451.38 m，提升機的井口軌道面標高為41.4 m，井下軌道面標高為-801.4 m，提升機的摩擦輪直徑為3 500 mm、天輪直徑為3 500 mm。提升機的核心部件為4條直徑38 mm的鋼絲繩，最大提升速度約為9.16 m/s，提升機的單次額定提升量為4.48 t。在提升機系統(tǒng)中采用了稱重式的負載監(jiān)測裝置，在實踐應用過程中由于提升機運行速度變動等因素，常常導致整個提升機負載稱重出現(xiàn)±110 kg的變動量，而且負載變化的傳遞存在著較大的滯后性，導致提升機系統(tǒng)在運行過程中產(chǎn)生強烈的震動和沖擊，摩擦輪處磨損嚴重，使用壽命僅為理論使用壽命的1/3，給提升機的安全穩(wěn)定運行帶來了嚴重的隱患。

針對以上問題，三元中能煤業(yè)機電科提出了一種新的礦井提升機負載監(jiān)測系統(tǒng)，其采用了基于RISC微處理器（ARM）的快速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[1]，實現(xiàn)了對提升機運行過程中負載的動態(tài)監(jiān)控。根據(jù)實踐應用表明，該負載監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)±5 kg的提升量的監(jiān)測，有效減輕了提升機運行過程中的震動、沖擊，提升了使用壽命和安全性。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在三元中能煤業(yè)得到了廣泛的應用。

1 三元中能煤業(yè)提升機負載監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對三元中能煤業(yè)提升機的實際情況，結(jié)合礦井提升機的實際運行特性，決定在新的提升機負載監(jiān)測系統(tǒng)中采用執(zhí)行油缸工作壓力變送監(jiān)測方案[2]，即通過對執(zhí)行油缸內(nèi)工作壓力的監(jiān)控，判斷提升機工作時的負載狀態(tài)。由于執(zhí)行油缸是被設置在提升機的鋼絲繩和提升機構(gòu)處，需要隨著提升機的運行不斷變化位置，因此在該負載監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸部分采用了無線數(shù)據(jù)傳輸，以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。三元中能煤業(yè)的提升機載荷監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 提升機負載監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，在三元中能煤業(yè)的提升機監(jiān)測系統(tǒng)中共設置了兩組監(jiān)測傳感器和監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送器，傳感器A被設置在鋼絲繩和提升機構(gòu)的執(zhí)行油缸處，用于監(jiān)控提升油缸內(nèi)的工作壓力，傳感器B被設置在提升機下側(cè)的稱重機構(gòu)處。工作時A、B兩處的監(jiān)測傳感器分別對提升機的負載情況進行相關監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果傳輸?shù)桨l(fā)送器內(nèi)通過無線傳輸系統(tǒng)傳遞到井口處設置的接收器內(nèi)，然后利用RS485信號將監(jiān)測結(jié)果傳遞到地面上的控制中心，在控制中心內(nèi)對二者的檢測信息進行對比，只有二者監(jiān)測數(shù)據(jù)均滿足判斷要求時，才能實現(xiàn)對監(jiān)測結(jié)果的確定，可有效避免在提升過程中由于急停、速度轉(zhuǎn)換沖擊而導致的負載監(jiān)測失真。為了提升對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析速度和準確性，在地面控制中心內(nèi)的數(shù)據(jù)處理單元采用了RISC微處理器（ARM）系統(tǒng)，此處理器穩(wěn)定性高、可靠性好，能夠滿足大量數(shù)據(jù)的快速計算和分析需求。

2 提升機數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于三元中能煤業(yè)提升機監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測傳感器均被設置在提升機上隨著提升機運行，傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)無法滿足新監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測和傳輸要求。因此，三元中能煤業(yè)機電科根據(jù)提升機的運行特性和監(jiān)測傳感器的安裝位置要求，提出了采用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨?。為了解決提升通道狹窄、無線數(shù)據(jù)傳輸信號衰減量大的難題，經(jīng)過大量的實踐驗證，通過在提升機上側(cè)設置數(shù)據(jù)發(fā)生器，實現(xiàn)信息的發(fā)送，在井筒內(nèi)側(cè)每隔200 m設置一個信號接收和轉(zhuǎn)換裝置，通過數(shù)據(jù)增強的方式確保在整個提升過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性，最終數(shù)據(jù)被傳輸?shù)皆O置在井口位置的通訊轉(zhuǎn)接板內(nèi)，在此處將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為符合RS485數(shù)據(jù)傳輸要求的信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸。在監(jiān)控終端內(nèi)設置有RS485轉(zhuǎn)RS232數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，用于對不同數(shù)據(jù)信號的轉(zhuǎn)換，滿足終端數(shù)據(jù)分析需求，該監(jiān)測系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 提升機負載監(jiān)測無線傳輸方案

為了提升負載監(jiān)測系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性和平穩(wěn)性，三元中能煤業(yè)機電科對多種無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊的運行穩(wěn)定性和功耗情況進行了對比分析，最終確定選用AS62-T30無線數(shù)據(jù)模塊，此模塊采用了LORA擴頻技術，具有運行功耗低、信號強、發(fā)熱量小的優(yōu)點[3]，可確保無線信息傳遞的精確性。

3 傳感器的選型

傳感器是煤礦提升機負載監(jiān)控系統(tǒng)的核心，其監(jiān)控的準確性直接關系到監(jiān)測系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運行，因此需要確保傳感器能夠在高壓、強震動沖擊條件下運行的穩(wěn)定性，同時還需要滿足在煤礦井下的防爆安全等級需求。根據(jù)負載監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器的使用環(huán)境，通過對十余種傳感器運行情況的測定，最終選擇了NS-P-I型傳感器，此型傳感器采用了IP67防護等級，防護安全性好，而且能夠在不同環(huán)境中滿足±0.01 MPa的監(jiān)測精度需求[4]，完全滿足提升機系統(tǒng)在運行過程中的重量連續(xù)性監(jiān)測要求。

由于在提升機運行過程中需要監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確判斷自平衡油缸是否到位、提升機的封閉門是否關閉等，而各種傳感器的類型極多，不同傳感器所發(fā)出的傳感信號不一致，在傳輸過程中會產(chǎn)生相互干擾和削弱，因此需要利用數(shù)字量隔離電路對不同的信號進行分類轉(zhuǎn)換和傳輸。三元中能煤業(yè)所使用的數(shù)字量隔離電路為十六路光耦隔離電路（見圖3），能夠接受十六種傳感器的傳輸信號并完成光耦電壓匹配，可保證監(jiān)控信號傳輸?shù)木_性。

圖3 光耦轉(zhuǎn)換電路示意圖

4 提升機負載監(jiān)測系統(tǒng)的應用

三元中能煤業(yè)礦井提升機負載監(jiān)測系統(tǒng)自投入使用以來，表現(xiàn)出了較高的運行平穩(wěn)性，運行過程中對提升負載的監(jiān)測精度達到了±5 kg以內(nèi)，比原監(jiān)測系統(tǒng)提升了22倍。負載監(jiān)測精度的提升使提升機速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性得到了同步提升。據(jù)統(tǒng)計，優(yōu)化后提升機在運行時的速度波動量比優(yōu)化前降低了76.4%，極大地提升了運行過程中的平穩(wěn)性，另外，由于減小了對提升機摩擦輪的沖擊，顯著降低了對摩擦輪的磨損，提升了摩擦輪的使用壽命和安全性。目前，該提升機負載監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在三元中能煤業(yè)的2座礦井得到了應用，取得了極好的應用效果。該提升機負載監(jiān)測系統(tǒng)控制界面如圖4所示。

圖4 三元中能煤業(yè)提升機載荷檢測界面示意圖

5 結(jié)論

1）新的礦井提升機負載監(jiān)測系統(tǒng)采用了基于RISC微處理器（ARM）的快速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對提升機運行過程中負載的動態(tài)監(jiān)控，穩(wěn)定性高、可靠性好，能夠滿足大量數(shù)據(jù)的快速計算和分析需求。

2）新的礦井提升機負載監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信單元采用了無線傳輸方案，滿足了對提升負載連續(xù)動態(tài)監(jiān)測的需求。通過數(shù)據(jù)增強的方式確保了數(shù)據(jù)在動態(tài)過程中傳輸?shù)木_性和平穩(wěn)性。

3）新的礦井提升機負載監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測精度達到了±5 kg以內(nèi)，比優(yōu)化前提升了21倍，提升機在運行時的速度波動量比優(yōu)化前降低了76.4%，極大地提升了運行過程的平穩(wěn)性。